CN102577689A - 采用镧提高垃圾堆肥基质高羊茅草皮抗盐性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用镧提高垃圾堆肥基质高羊茅草皮抗盐性的方法他是在20g堆肥中播撒高羊茅种子0.4g,播种后13天向培养基中加入0.2-0.4g·kg-1硝酸镧,继续培养14天,然后将培养皿中的草坪草连同基质一起移植到280g盐碱土上,盐碱土分别为0.5%、0.8%,移植培养30天后开始测量生理指标。本发明的实验结果表明:施加镧可以缓解盐胁迫对高羊茅的伤害。镧处理能够通过提高高羊茅的地上生物量,降低质膜过氧化产物丙二醛含量,降低叶片相对电导率,提高保护酶活性和脯氨酸含量,增高羊茅在盐胁迫下的渗透调节功能,减轻自由基对细胞的伤害,进而缓解盐胁迫对高羊茅的伤害,增加其抗逆性。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域,涉及以城市生活垃圾堆肥作为基质培养高羊茅的方法。更具体的说是一种采用镧提高垃圾堆肥基质高羊茅草皮抗盐性的方法。
背景技术
城市生活垃圾堆肥含有丰富的有机质和氮、磷、钾等营养元素,可用作草皮培养基质,用于城市草坪建植。将城市生活垃圾堆肥用于草皮培养基质,即解决了传统草皮生产耗费肥沃土壤的问题,节约农用土地资源,缓解目前人口压力大,土地资源紧张的现状,又拓宽了垃圾堆肥的应用途径,减少垃圾处理的费用以及垃圾堆肥向外地运输等难题,同时也有利于城市草坪建植体系的完善。但需要指出的是,堆肥也有含大量污染物,对草坪植物的生长也会造成不利影响,因此,添加外源物质,来改善堆肥这一性状具有重要意义。
草坪是由人工建植或人工养护管理并能够提供人们休闲、游乐和适度体育运动的坪状草地。草坪作为城市园林绿化的重要组成部分,对人类生存环境绿化、美化、保护和改善的作用日趋突出和重要,草坪绿化已日益受到人们的重视。国内外研究表明生活垃圾堆肥可作为一种肥料来改善草坪草观赏特征和质量特征,对高羊茅生长以及质量的提高有明显促进作用。Landschoot研究发现,与空白对照相比,垃圾堆肥可以降低土壤容重,提高土壤渗透性,而且至少在两个生长季内能为草坪生长提供大部分所需的营养元素。垃圾堆肥及其复合肥与化肥相比能明显促进黑麦草的茎与根系的生长,提高生物量,改善叶片的色泽和整齐度,提高草坪的密度和质量;促进黑麦草对氮的吸收,叶片中氮和叶绿素含量明显高于化肥与空白处理。
目前我国草皮的生产存在着诸多问题,无法满足城市草坪建植的需要,而其中草皮基质的研制和供应不足就是一个重要的限制因素。在草皮生产中,每完成一次草皮生产过程,至少要铲去2 cm以上的熟土,连续的3~4次操作,肥沃的农田即遭到破坏。要恢复表土肥力,短则需几年,多则几十年、上百年。为此,研制新的人工草坪基质以代替肥沃的表土具有较强的实际意义。
在城市草坪建植中,各种逆境条件的胁迫(干旱胁迫、盐胁迫、酸雨胁迫和低温胁迫等)不利于草皮的培植及草坪建植。草坪缺水问题一直存在,因为人工草坪根系较浅,不足以在土壤中吸收足够的水分,只能靠人工浇灌,尤其在我国北方城市,每年要消耗大量的水养护草坪,年灌水量大约为0.6~1.0 m3/m2。土壤盐渍化是限制草坪草生长的主要因素之一,盐胁迫几乎影响植物所有的重要生命过程,盐胁迫下,植物细胞的代谢过程受阻,导致活性氧积累和离子失衡,植株生长受抑制,严重时造成细胞死亡。酸雨污染的日趋严重越来越受到人们的广泛关注,已成为当代国际性的重大生态环境问题之一,对自然环境造成极大危害,影响草坪草的生长。此外,我国北方地区冬季寒冷,草坪草越冬困难,在春秋两季又常受寒流侵袭而造成泛斑、生长不良等现象,影响草坪的美观,降低草坪的利用价值。
目前,全球盐碱地面积已达9.5亿hm2,中国盐碱地约2.0×108 hm2,占总耕地面积的10%,土壤盐碱化已成为重要的环境问题之一。且随着化肥用量增加,土壤次生盐渍化亦越来越重,盐胁迫几乎影响植物所有的重要生命过程。盐胁迫下,植物细胞的代谢过程受阻,导致活性氧积累和离子失衡,植株生长受抑制,严重时可造成细胞死亡。目前已有一些关于草坪草抗盐性的研究,主要集中于阐述抗盐机理,但是关于稀土应用于生活垃圾堆肥基质草坪草抗盐方面的研究还未见报道。
发明内容
本发明以垃圾堆肥为基质培养高羊茅,在施加硝酸镧一段时间后,将草皮移植到不同含盐量的盐碱土上,通过观察草坪草生长情况及测量抗逆生理指标,来探讨稀土镧对盐胁迫下堆肥基质高羊茅的影响,为优化垃圾堆肥基质在草坪建植上的应用及提高其抗盐性提供理论依据。
为实现上述目的,本发明提供如下的技术方案:
一种采用镧提高垃圾堆肥基质高羊茅草皮抗盐性的方法,其特征在于按如下的步骤进行:
(1)堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥;
(2)在培养皿中加入上述堆肥20 g,加入高羊茅种子0.4g,播于培养皿中,播种后13天向培养基中加入0.2-0.4g·kg-1的硝酸镧;加入硝酸镧后继续培养14天;
(3)然后将草坪草留茬高度5cm,将培养皿中的草坪草连同基质一起移植到280g盐碱土上,盐碱含盐量分别为0.5%、0.8%;培养期间实验室温度为25~32℃,相对湿度为40~66%;
(4)移植培养30天后开始测量生理指标。
其中两种含盐量的盐碱土pH分别为7.84、7.93,容重分别为1.04、1.20(g/ml),电导率分别为1.49x103,1.99x103(μS/cm);持水量分别为1.04,1.20(ml/g);总孔隙度分别为64.52,66.67(%)。
本发明进一步公开了所述的方法在缓解盐胁迫对高羊茅的伤害增加其抗逆性方面的应用。特别是0.2-0.4g·kg-1的硝酸镧在缓解盐胁垃圾堆肥基质高羊茅草皮的抗盐性方面的应用。
本发明更加详细的制备方法如下:
1 材料和方法
1.1 实验材料
本实验选用草坪草为高羊茅。稀土元素为硝酸镧(La(NO3)3·6H2O)。
垃圾堆肥来自天津市小淀垃圾堆肥厂,垃圾堆肥源为城市日常生活提供服务活动中产生的固体废物,也包含可回收垃圾、有害垃圾和其他如取暖煤灰等废弃物。堆肥制备与处理采用德国工艺技术与设备,堆肥前将城市生活垃圾中的塑料、金属、玻璃纸张等可回收利用物质进行分选后,剩余的物质作为堆料。堆肥过程为好氧发酵,堆料含水率为 45%~60%,在pH为6.5-7.5,温度为45- 55℃条件下,通风供氧,发酵30 d。发酵后的垃圾堆肥在利用前要进行筛选以进一步去除各类塑料、金属、碎玻璃及砖瓦石块等杂物,然后对垃圾堆肥背景进行分析。垃圾堆肥主要理化性质为:有机质12.12%,pH 7.62,饱和含水量0.76 mL /g,容重0.85g /mL,全氮5.18%,有效磷77.92 mg /kg,全钾1.21%,Ca 含量30.62 g /kg,Fe19.95 g /kg,Mg 5.78 g /kg,Cu 546.15 mg /kg,Zn 534.53 mg /kg,Pb 163.62 mg /kg,Cr 89.87 mg /kg,Ni 76.26 mg /kg ,Cd 2.06 mg /kg,Mn 324.59 mg /kg 。
盐碱土取自河北省黄骅市海边,盐碱土含盐量分别为0.5%、0.8%。两种含盐量的盐碱土pH分别为7.84、7.93,容重分别为1.04、1.20(g/ml),电导率分别为1.49x103,1.99x103(μS/cm);持水量分别为1.04,1.20(ml/g);总孔隙度分别为64.52,66.67(%)。
1.2 实验方法
在直径5.7 cm的培养皿中加入堆肥20 g。选择籽粒饱满的高羊茅种子0.4g,分别播于各培养皿中。播种后13天向培养基中加入不同浓度水平的硝酸镧。硝酸镧设3个浓度水平,为0、0.2、0.4g·kg-1。加入硝酸镧后继续培养14天,然后将草坪草留茬高度5cm,将培养皿中的草坪草连同基质一起移植到盐碱土上,盐碱土装于直径7.2cm、高10.5cm的塑料杯中,每杯280g,盐碱土设2个盐浓度梯度,含盐量分别为0.5%、0.8%。移植培养30天后开始测量生理指标,实验期间每10天测量一次株高。实验设3次重复。培养期间实验室温度为25~32℃,相对湿度为40~66%。
1.3 指标测定
(1)生物量的测定
将草坪植物齐根刈割,地上部分用蒸馏水冲洗干净,吸水纸吸干表面水分,然后放入烘箱中,在105℃下杀青1 h,80℃烘干至恒重,测量其地上部分的干重。
(2)保护酶的测定
粗酶液的提取方法:称取叶片0.2g,加入pH7.8的磷酸缓冲液进行冰浴研磨,提取匀浆至离心管中,定容至10ml, 4℃下离心(10000r/min)20 min,上清液为酶的粗提液,4℃保存备用。
超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定:采用NBT光还原法(张志良等,2003)。在盛有3ml反应混合液(包括14.5mmol/L dl-甲硫氨酸、3μmol/L EDTA 、2.25mmol/L NBT、60μmol/L核黄素溶液)的试管中,加入50μL的粗酶液,混合后放在透明的试管架上,于光照培养箱中在4000 Lx日光灯下准确照光反应20 min,以不加酶液的照光管为光照对照,同时将空白对照管置于暗处(以缓冲液代替酶液),用做调零。在560nm波长下测定吸光值。SOD活性单位是以抑制NBT光化还原的50%为一个酶活性单位。
过氧化物酶(POD)活性的测定:采用愈创木酚法(张志良等,2003)取3mL的反应混合液于比色皿中,对照以pH=7.8磷酸缓冲液代替。加入酶液100μL,立即开启秒表计时,在470 nm波长下测量吸光值,每隔0.5 min读数一次。以每分钟△A470变化0.01为一个过氧化物酶活性单位。
过氧化氢酶(CAT)活性的测定:采用紫外分光光度法(Maria et al.,2004)。在试管中加入反应混合液(pH7.8的磷酸缓冲液1.5ml、酶液0.2ml、蒸馏水1.0ml),对照管用缓冲液代替酶液,然后在测定管中加入0.3ml浓度为0.1mol/L的过氧化氢,同时立即计时,在240nm波长下测量吸光值,每隔0.5 min读数一次。以每分钟△A240变化0.1为一个过氧化氢酶活性单位。
(3)丙二醛含量的测定
参考张志良等(2003)的方法:取0.2g草坪植物叶片,用10%TCA研磨匀浆进行提取,定容至10ml,4000r·min-1离心10min,取上清液2ml,加入2ml 0.6%的TBA沸水浴中反应20min,迅速冷却,离心,取上清液分别于532nm、450nm波长下测定吸光值。对照以2ml水代替提取液。
(4)脯氨酸含量的测定
参考李合生(2000)的方法。称取0.5g草坪植物叶片并将其剪碎,分别置于大试管中,然后向各管分别加入5ml 3%的磺基水杨酸溶液,在沸水浴中提取10min(提取过程要经常摇动),冷却后3000 r·min-1离心10min,吸取2ml提取液于另一干净的带塞试管中,加入2ml冰醋酸及2ml酸性茚三酮,在沸水中加热30min,冷却后加入4ml甲苯提取,振荡30s,静置一夜。以甲苯为空白对照,取上层液用SHIMADZU产UV-1700型紫外分光光度计在520nm波长下测吸光值。
(5)相对电导率的测定
相对电导率采用电导率仪法进行测定(汤章成,1999):将10 ml的无离子水放入已编号的试管中,测定I0。各样品称取叶片0.2 g,剪成0.5 cm2的小块置于试管中,准确加入无离子水10 ml,浸泡24 h,用DDS-11D直读式电导仪测定电导率为I1。测定后将试管放在水浴锅中沸水浴0.5 h,杀死组织,于室温下测I2。计算相对电导率(%)=(I1-I0)/(I2-I0)×100%。
1.4 数据处理:数据分析采用EXCEL和SPSS17.0分析软件进行处理。
2 结果与分析
2.1 镧对盐胁迫下高羊茅生物量的影响
在盐胁迫下,草坪草会出现不同程度的生长减慢(地上部分)现象(杨富裕等,2001)。生物量是植物对盐胁迫反应的综合体现,是植物耐盐性的直接指标(Vicente et al.,2004)。从图1可以看出,高羊茅的地上生物量在盐碱土含盐量为0.8%时低于含盐量为0.5%时,说明盐胁迫强度增大对高羊茅的生长有抑制作用。施加稀土镧处理,高羊茅的地上生物量都比不加镧的有所增加,说明稀土镧能够缓解盐胁迫对高羊茅的伤害,促进其生物量的增加,进而提高其抗逆性。对于高羊茅来说,实验所设的两种浓度处理中,镧用量在0.4g·kg-1时效果较好,在含盐量分别为0.5%和0.8%的情况下,其地上生物量分别比不加镧处理的提高了9.7%和12.5%。
附表
附表
2.2镧对盐胁迫下高羊茅株高的影响
盐胁迫对植物的影响体现于植物的生长状况,可以用多种指标来衡量,植物幼苗的长度可以作为衡量植物抗盐性的指标之一。表1是盐胁迫对高羊茅高的影响以及镧处理对盐胁迫下二者株高的影响。从表中可以看出,7月15日在未施加稀土和移植到盐碱土上时,高羊茅所有处理其株高相差不大。7月25日在施加稀土镧后,高羊茅的株高与不加稀土的相比,有所增加,说明稀土镧能在一定程度上促进高羊茅的生长。8月10日在移植到盐碱土上10后,加镧处理与不加镧处理,高羊茅的株高均是前者大于后者,说明在草皮移植到盐碱土上以后,基质中含有的稀土元素镧仍起作用,促进了高羊茅的生长,有助于其根系的生长。随着时间的增加,稀土镧作用效果减弱,加镧处理与不加镧处理的相比,株高略有增加,但差异不明显。这可能是由于随时间的增加,稀土镧随着水向下渗漏,而移植草皮的根部在盐碱土上扎根缓慢,导致稀土的作用效果下降。
表1镧对盐胁迫下高羊茅株高的影响
注:同列中相同盐浓度下不同镧浓度处理字母相同者差异不显著 (P>0.05);下同。
2.3镧对盐胁迫下高羊茅保护酶活性的影响
POD(过氧化物酶)、SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(过氧化氢酶)是保护酶系统的主要酶,其主要功能是清除自由基、控制脂质过氧化和减少膜系统的伤害。植物的抗性及对环境的适应与其保护酶含量密切相关,逆境胁迫能诱发植物产生大量的自由基,由于自由基具有很强的氧化能力,可使细胞内许多功能分子的结构和功能受到破坏,对植物膜系统及蛋白质产生伤害作用。在植物忍受逆境范围之内,酶的活性随自由基产生速率的增加而升高,这可能是植物对逆境胁迫的一种适应性反应。有研究表明耐盐植物通过保持或提高保护酶活性来减轻盐胁迫带来的伤害。盐胁迫对高羊茅保护酶的影响以及镧对盐胁迫下高羊茅保护酶的影响见表2。随盐胁迫浓度加大,高羊茅的3个保护酶活性均增加。加镧处理比不加镧处理提高了保护酶活性。高羊茅SOD活性在镧用量为0.4g·kg-1时分别对照增加了204.2%(P<0.05)和64.7%,POD、CAT活性在镧用量为0.4g·kg-1时分别对照增加了4%、6.7%和25.6%和14.2%。
表2镧对盐胁迫下高羊茅保护酶活性的影响
注:同列中字母相同者差异不显著 (P>0.05);下同。
2.4 镧对盐胁迫下高羊茅丙二醛、脯氨酸和相对电导率的影响
植物在逆境下遭受伤害与活性氧积累诱发的膜脂过氧化作用密切相关,MDA是膜脂过氧化的主要产物之一,其积累反应了膜脂过氧化程度的高低,因此,人们通过测定试验材料中 MDA含量可了解膜脂过氧化的程度,并间接测定膜系统受损程度。从表3中可以看出随盐胁迫强度加大,高羊茅丙二醛含量增加,说明盐胁迫可能增加了高羊茅体内的自由基,诱发了膜脂过氧化作用,从而使丙二醛积累,并因此影响高羊茅的生长。镧处理降低了高羊茅的丙二醛含量,其中镧用量在0.2g·kg-1时,分别比对照降低了23.8%(P<0.05)和27.1%。
盐胁迫下无机离子大量进入植物细胞的同时,为了平衡细胞质与液泡之间的渗透势差,植物在细胞质中合成一些无毒的可溶性的有机渗透调节剂,包括氨基酸类(如脯氨酸)、季铵类化合物(如甜菜碱)和三代硫酸盐类化合物(如甘露醇)三大类,其中脯氨酸是研究较多的。脯氨酸是植物体内一种重要的渗透调节剂,在不同盐碱生境下植物体内不同程度地积累脯氨酸。脯氨酸的积累能增加细胞质的浓度,降低渗透势,利于细胞吸收水分。有实验证明,在低盐胁迫下或胁迫初期,无机离子可能起主要作用,而在高盐胁迫下或胁迫后期,有机渗透溶质特别是游离脯氨酸的作用则可能增强。表3显示了盐胁迫下高羊茅脯氨酸含量增加,镧处理与不加镧处理相比提高了其脯氨酸含量。其中镧用量在0.4g·kg-1时,分别比对照增加了59.3%和24.2%(P<0.05)。
细胞膜不仅是分隔细胞质和胞外环境的屏障,而且也是细胞与环境发生物质交换的主要通道,又是细胞感受环境变化刺激的部位。细胞膜的选择透性是其维持生理功能的最重要的条件之一。各种逆境伤害都会造成质膜选择透性的改变或丧失,增大细胞膜通透性。因此,细胞质膜透性的测定常作为植物抗性研究中的一个重要生理指标。当质膜的选择透性因逆境伤害而明显改变或丧失时,细胞内的物质(尤其是电解质)大量外渗,从而引起组织浸泡液的电导率发生变化,通过测定外渗液电导率的变化,就可反映出质膜的伤害程度和所测材料抗逆性的大小。由表3可知,随盐胁迫加强,高羊茅的相对电导率增加,但是镧处理可降低其相对电导率,说明镧对盐胁迫下高羊茅的细胞膜具有一定的稳定作用,稳定其选择透过性。镧用量在0.4g·kg-1时,高羊茅的相对电导率分别比对照降低了37.9%(P<0.05)和35.1%(P<0.05)。
表3镧对盐胁迫下高羊茅丙二醛、脯氨酸和相对电导率的影响
3 结论
(1)高羊茅的丙二醛含量随盐胁迫增大而增大。镧处理降低了其丙二醛含量。脯氨酸是植物对盐碱胁迫反应敏感的胁变指标。盐渍条件下,不论是低等植物还是高等植物,盐生植物还是非盐生植物,都发生游离脯氨酸的积累。
(2)随盐胁迫加强,高羊茅体内脯氨酸含量增加,镧处理提高了脯氨酸含量,说明镧可能通过积累脯氨酸增强高羊茅的抗盐能力。植物细胞膜受损情况与组织的导电能力密切相关,植物水分含量越高,组织导电能力越高。盐胁迫以及其它任何环境胁迫所造成的植物细胞膜的损坏,都会使细胞膜的透性增大,对水和离子的交换能力下降,直至丧失。
(3)随盐胁迫强度加大,高羊茅的保护酶有所上升,施加镧处理,提高了三个保护酶活性,从而增强了清除自由基的能力。刘建新等推测镧调控抗氧化系统的可能机制是,一是通过络合膜系统相关功能靶位激活细胞信号传递系统,并以此为介导间接影响抗氧化酶的活力和表达,二是通过与酶蛋白的配位键合,使酶构象发生变化直接改变酶的活性,但具体机制有待进一步探讨。
综上所述,盐胁迫能够抑制高羊茅的生长,施加镧可以缓解盐胁迫带来的伤害。镧处理能够通过提高高羊茅的地上生物量,降低质膜过氧化产物丙二醛含量,降低叶片相对电导率,提高保护酶活性和脯氨酸含量,增强高羊茅在盐胁迫下的渗透调节功能,减轻自由基对细胞的伤害,进而缓解盐胁迫对高羊茅的伤害,增加其抗逆性。
附图说明
图1镧对盐胁迫下高羊茅地上生物量的影响。
具体实施方式
下面结合实施例说明本发明,这里所述实施例的方案,不限制本发明,本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化,所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内,本发明的范围和实质由权利要求来限定。硝酸镧有市售,其他所用到的试剂也有市售。
实施例1
(1)堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥;
(2)在培养皿中加入上述堆肥20 g,加入高羊茅种子0.4g,播于培养皿中,播种后13天向培养基中加入0.2g·kg-1的硝酸镧,继续培养14天;
(3)然后将草坪草留茬高度5cm,将培养皿中的草坪草连同基质一起移植到280g盐碱土上,盐碱含盐量分别为0.5%、0.8%;培养期间实验室温度为25℃,相对湿度为45%;其中两种含盐量的盐碱土pH分别为7.84、7.93,容重分别为1.04、1.20(g/ml),电导率分别为1.49x103,1.99x103(μS/cm);持水量分别为1.04,1.20(ml/g);总孔隙度分别为64.52,66.67(%)。(4)移植培养30天后开始测量生理指标。
实施例2
(1)堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥;
(2)在培养皿中加入上述堆肥20 g,加入高羊茅种子0.4g,播于培养皿中,播种后13天向培养基中加入0.4g·kg-1的硝酸镧,继续培养14天;
(3)然后将草坪草留茬高度5cm,将培养皿中的草坪草连同基质一起移植到280g盐碱土上,盐碱含盐量分别为0.5%、0.8%;培养期间实验室温度30℃,相对湿度为56%;
(4)移植培养30天后开始测量生理指标。 其中两种含盐量的盐碱土pH分别为7.84、7.93,容重分别为1.04、1.20(g/ml),电导率分别为1.49x103,1.99x103(μS/cm);持水量分别为1.04,1.20(ml/g);总孔隙度分别为64.52,66.67(%)。
Claims (5)
1.一种采用镧提高垃圾堆肥基质高羊茅草皮抗盐性的方法,其特征在于按如下的步骤进行:
(1)堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥;
(2)在培养皿中加入上述堆肥20 g,加入高羊茅种子0.4g,播于培养皿中,播种后13天向培养基中加入0.2-0.4g·kg-1的硝酸镧,继续培养14天;
(3)然后将草坪草留茬高度5cm,将培养皿中的草坪草连同基质一起移植到280g盐碱土上,盐碱含盐量分别为0.5%、0.8%;培养期间实验室温度为25~32℃,相对湿度为40~66%;
(4)移植培养30天后开始测量生理指标。
2.权利要求1所述方法,其中两种含盐量的盐碱土pH分别为7.84、7.93,容重分别为1.04、1.20(g/ml),电导率分别为1.49x103,1.99x103(μS/cm);持水量分别为1.04,1.20(ml/g);总孔隙度分别为64.52,66.67(%)。
3.权利要求1所述的方法在缓解盐胁迫对高羊茅的伤害增加其抗逆性方面的应用。
4.权利要求3所述的应用,其中的抗逆性指的是0.2-0.4g·kg-1的硝酸镧在缓解盐胁垃圾堆肥基质高羊茅草皮的抗盐性。
5.权利要求3所述的应用,其中硝酸镧用量在0.4g·kg-1。
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